TWI477445B - 活性碳及其製法及具有該活性碳之電化學電容和電池 - Google Patents

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Description

活性碳及其製法及具有該活性碳之電化學電容和電池
本揭露係有關一種活性碳及其製法及具有該活性碳之電化學電容和電池，尤指一種由竹子製成之活性碳及其製法及具有該活性碳之電化學電容和電池。
燃料電池(fuel cell)由於具有高效率反應快運作安靜及低污染等特性，因此已廣泛的應用於電力、工業、運輸、太空、軍事等各領域中。
另一方面，相較於燃料電池或鋰電池，近年來所開發之電化學電容器(electrochemical capacitor)中，對稱式電雙層電容器(Electric double-layer capacitor；EDLC)雖具有快速充放電和循環壽命穩定的性能，其比能量雖然為陶瓷電容、電解電容的數千倍以上，但是其比能量僅為鋰電池的四分之一以下。EDLC的電極係使用活性碳作為主要電極活性物。但因傳統活性碳製程上係採化學活化法，將碳化料與氫氧化鈉和氫氧化鉀混合，在700至800℃活化處理2至3小時，所得之活性碳的導電度不佳，通常係小於0.01 S/cm，因此需添加大量的助導劑，例如大於15wt%。據此雖可提升功率密度，但是造成能量密度嚴重下降。
本揭露提供一種活性碳之製法，係包括：於惰性氣體環境使竹子受熱碳化；以及將該經碳化之竹子置於腔體中，該腔體中係通入有活化劑，並以5至10℃/min的速度 提升該腔體內之活化溫度於850至950℃，且維持該活化溫度3至6小時，以活化該經碳化之竹子。
本揭露復提供一種活性碳，係包括：碳質本體，係具有2至11S/cm之導電度，且該碳質本體具有複數中孔孔洞，且該複數中孔孔洞佔該碳質本體之總孔體積比例為13%至39%。
本揭露復提供一種電化學電容，係包括本揭露之活性碳。
本揭露復提供一種電池，係包括本揭露之活性碳。
以下藉由特定的具體實施例說明實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本揭露之其他優點及功效。
本揭露提供一種活性碳之製法，係包括：於惰性氣體環境使竹子受熱碳化；以及將該經碳化之竹子置於腔體中，該腔體中係通入有活化劑，並以5至10℃/min的速度提升該腔體內之活化溫度於850至950℃，且維持該活化溫度3至6小時，以活化該經碳化之竹子。
舉例而言，通常在進行碳化前，可先處理所取得的竹子，包括移除枝葉，留下竹子的主幹。另外，可風乾或曝曬經處理之竹子，以降低內含的水分。通常，經風乾或曝曬一天後，竹子的含水率降至約18wt%以下。
不論是否經風乾或曝曬，皆可進行碳化製程。用於碳化前，竹子係先被截取為適當的尺寸，接著送入如箱型爐 的腔體中，並於該腔體中通入惰性氣體。於實施上，該受熱碳化之條件為以5至10℃/分鐘的速度提升碳化溫度於55至600℃，且維持該碳化溫度6至12小時。
於一具體實施例中，腔體中係通入氮氣，並以5℃/分鐘的速度提升碳化溫度至600℃，且維持該碳化溫度12小時，待降至室溫後即得到竹碳。
為適於後續產品應用，可於活化該經碳化之竹子之前，將該經碳化之竹子藉由粉碎機加工為粉體，並以篩網過篩，得到粉體粒徑介於0.5至10μm之竹碳粉。
接著，進行活化製程，將該經碳化之竹子置於腔體中，該腔體可與碳化製程的腔體相同或不同。於活化時，該腔體中係通入有活化劑，並以5至10℃/min的速度提升該腔體內之活化溫度於850至950℃，且維持該活化溫度3至6小時，以活化該經碳化之竹子。
經發現，使用二氧化碳氣體活化經碳化之竹子，將使獲得之活性碳具有較高的導電度。
根據本揭露之方法，係由竹碳製得本揭露之活性碳，包括：碳質本體，係具有2至11S/cm之導電度，且該碳質本體具有複數中孔孔洞，且該複數中孔孔洞佔該碳質本體之總孔體積比例為13%至39%。
所述之該碳質本體係可為碳質粉體。此時碳質本體之複數中孔孔洞係指該碳質粉體的各該顆粒具有與外界連通之複數中孔孔洞。本揭露中，「中孔」係指孔洞直徑介於2至50nm者。
又，該碳質粉體之粉體粒徑介於0.5至10μm。
本揭露復提供一種電化學電容和電池，係包括前述之活性碳。
請參閱第1圖，係說明本揭露之電化學電容或電池1之結構剖視圖。
不論為電化學電容或鋰電池或燃料電池，係包括正極10；負極12；形成於該正極10表面之正極塗層11；以及形成於該負極12表面之負極塗層13，其中，該正極塗層11和負極塗層13之至少一者含有本揭露之活性碳。所述之正極塗層11及/或負極塗層13係可包括黏著劑和混於其中之本揭露活性碳。
此外，該正極塗層11和負極塗層13之間復夾置和接觸有中介層14。於電化學電容應用時，該中介層14為隔離膜。於電池應用時，該中介層14為質子交換膜。
於該電化學電容或電池的實施例中，該活性碳在該正極塗層和負極塗層任一者之中的含量為15wt%至94wt%。
測試例1
本測試例中，係根據不同溫度測試所得活性碳之導電度和中孔洞體積比例。
首先，根據表一所示條件，於不同溫度活化該經碳化之竹子。
在本測試例中，箱型爐中係通入氮氣，並以5℃/分鐘的速度提升碳化溫度至600℃，且維持該碳化溫度12小 時，待降至室溫後即得到竹碳。將該經碳化之竹子藉由粉碎機加工為粉體，並以325目之篩網過篩，得到竹碳粉。
於活化時，該箱型爐中係通入有二氧化碳，並以5℃/min的速度提升該箱型爐內之活化溫度於表一所示之溫度，且維持該活化溫度3小時，以活化該經碳化之竹子。
接著，透過標準測試方法，測量所得活性碳之導電度和中孔洞體積比例，並將結果記錄於表一中。
此外，一般以木頭為原料製備活性碳係於400℃進行活化製程，所得之活性碳導電度僅約為3.46x10-3 S/cm。
測試例2
本測試例中，係根據不同活化時間測試所得活性碳之導電度和中孔洞體積比例。
首先，根據表二所示條件，於900℃以不同活化時間活化該經碳化之竹子，其餘方法則與測試例1相同。測量所得活性碳之導電度和中孔洞體積比例，並將結果記錄於表二中。
上述實施例係用以例示性說明本揭露之原理及其功效，而非用於限制本揭露。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因此本揭露之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
1‧‧‧電化學電容或電池
10‧‧‧正極
11‧‧‧正極塗層
12‧‧‧負極
13‧‧‧負極塗層
14‧‧‧中介層
第1圖係說明本揭露之電化學電容或電池之結構剖視圖。
1‧‧‧電化學電容或電池
10‧‧‧正極
11‧‧‧正極塗層
12‧‧‧負極
13‧‧‧負極塗層
14‧‧‧中介層

Claims (11)

  1. 一種活性碳之製法，係包括：於惰性氣體環境使竹子受熱碳化；以及將該經碳化之竹子置於腔體中，該腔體中係通入有活化劑，並以5至10℃/min的速度提升該腔體內之活化溫度於900至950℃，且維持該活化溫度大於3小時且至6小時，以活化該經碳化之竹子。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之活性碳之製法，其中，該惰性氣體係氮氣。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之活性碳之製法，其中，該活化劑為二氧化碳。
  4. 一種活性碳，係包括：碳質本體，係具有大於3.59S/cm且至11S/cm之導電度，且該碳質本體具有複數中孔孔洞，其中，該複數中孔孔洞的孔洞直徑介於2至50nm，且該複數中孔孔洞佔該碳質本體之總孔體積比例為大於15%且至39%。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之活性碳，其係由竹碳所製得。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之活性碳，其中，該碳質本體係為碳質粉體。
  7. 一種電化學電容，係包括如申請專利範圍第4項所述之活性碳，其中，該電化學電容包括正極；負極；形成於該正極表面之正極塗層；以及形成於該負極表面 之負極塗層，且該正極塗層和負極塗層之至少一者含有該活性碳。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電化學電容，其中，該活性碳在該正極塗層和負極塗層任一者之中的含量為15wt%至94wt%。
  9. 一種電池，係包括如申請專利範圍第4項所述之活性碳，其中，該電池包括正極；負極；形成於該正極表面之正極塗層；以及形成於該負極表面之負極塗層，且該正極塗層和負極塗層之至少一者含有該活性碳。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電池，其中，該活性碳在該正極塗層和負極塗層任一者之中的含量為15wt%至94wt%。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之電池，其係為鋰電池或燃料電池。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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TW200412253A (en) * 2003-01-02 2004-07-16 Ji-Shiang Wang Method for making absorptive material using bamboo as basic material and product made by same
CN101399368A (zh) * 2007-09-24 2009-04-01 董兴国 一种用于二次锂电池的电芯和制备方法
TW201222599A (en) * 2010-05-31 2012-06-01 Sumitomo Electric Industries Capacitor and method for manufacturing the same

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